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化学链产氢还原阶段Fe_2O_3动力学研究

【摘要】:化学链制氢技术是由化学链燃烧和水蒸汽-铁法制氢发展而来的方法。它能在制备高纯H_2的同时实现CO_2的内分离。化学链产氢深度还原是提高产氢效率的重要方法,本文通过Fe_2O_3在不同温度和还原气氛下的热重分析数据来研究铁基载氧体的还原行为和还原动力学,考察了影响铁基载氧体还原深度和反应速率的主要因素。连续还原实验表明,在H_2、CO和CO-H_2氛围下,Fe_2O_3→Fe_3O_4和Fe_3O_4→FeO是同时发生的,而Fe_2O_3→FeO和FeO→Fe过程是相对独立的。提高反应温度、氢气比例和还原组分的比例可以提高反应速率。Fe_2O_3→FeO是由成核核增长模型控制,在CO:H_2=1:0、CO:H_2=1:0.33、CO:H_2=1:0.5、CO:H_2=1:1和CO:H_2=0:1比例下的活化能分别是24.10、27.86、29.30、31.83和36.74 kJ/mol。FeO→Fe根据反应速率的变化可以分为两个部分,前半段可以由二维相界面反应描述,活化能大约为15.56±0.24 kJ/mol,其数值不随CO:H_2比例变化而变化;后半阶段反应速度缓慢,由扩散反应控制。同时研究表明,还原气体中惰性组分比例的改变不改变反应的维度和活化能数值。针对双塔操作过程中反应器二中高CO_2组分的情况,设计分布还原实验来验证反应器内物相变化规律。根据Fe-CO-CO_2系统的热力学动态相图,不同浓度的CO/CO_2混合气体可以将纯Fe_2O_3解耦为三个相对独立的还原阶段,但同时,Fe_3O_4→FeO和FeO→Fe两个阶段存在热力学限制。Fe_2O_3→Fe_3O_4和Fe_3O_4→FeO均是相界面反应,而FeO→Fe是成核核增长反应和扩散反应交替控制。三阶段Fe_2O_3→Fe_3O_4,Fe_3O_4→FeO和FeO→Fe的活化能分别为34.92±1.24,70.13±0.88和44.12±1.44 kJ/mol。在近似还原推动力下,Fe_3O_4→FeO活化能最高,耗氧速率最快,FeO→Fe占据着2/3的理论耗氧量但耗氧速率最慢。同时,分步还原可以作为一种全新的评估铁基载氧体的手段,可以分别了解载氧体改性过程对各个独立阶段的影响。从双塔操作角度,对于反应器一,当大比例铁基载氧体的反应速率受气体扩散控制,继续过量通入还原性气体不会明显提高还原的深度。对于反应器二,高CO_2还原氛围会令铁基载氧体停滞在Fe_3O_4或FeO阶段,所以反应器二进行产氢的必要性有限。

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